作者：中國(guó)科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)有限公司 來源：http://www.sikpqwc.cn 日期：2017-01-06 14:16:47
近年來，柔性、微型能源儲(chǔ)存裝置由于其柔韌和輕便等特點(diǎn)，在可穿戴電子設(shè)備、智能皮膚和便攜式智能手機(jī)等方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。其中，柔性的全固態(tài)超級(jí)電容器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便、功率密度高、充放電快速、以及循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，成為了能源儲(chǔ)存器件的研究重點(diǎn)。
目前，全固態(tài)超級(jí)電容器主要包含兩種結(jié)構(gòu)：傳統(tǒng)的三明治結(jié)構(gòu)的固態(tài)超級(jí)電容器和平面結(jié)構(gòu)的微型超級(jí)電容器。而高性能的超級(jí)電容器的電極材料需要有較好的電化學(xué)穩(wěn)定性、較高的電導(dǎo)率和優(yōu)異的電容性能。
作為一種新型的過渡金屬碳化物（一個(gè)過渡金屬和一個(gè)第三或第四族的元素（如Al, Ge, Si等）以及碳或氮元素組成的化合物），MXene（如Ti3C2Tx）因其特有的二維層狀結(jié)構(gòu)、較高的導(dǎo)電性以及化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，廣泛地應(yīng)用在鋰離子電池、超級(jí)電容器和電催化反應(yīng)中。然而研究發(fā)現(xiàn)，MXene的尺寸（≈200 nm）相對(duì)較小，不利于構(gòu)建高性能、柔性的大面積薄膜型全固態(tài)超級(jí)電容器電極。
德累斯頓工業(yè)大學(xué)馮新亮教授，莊小東博士和中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所牛利研究員（共同通訊作者）以此為著眼點(diǎn)，合作制備了基于MXene和電化學(xué)剝離的石墨烯納米復(fù)合物薄膜電極，并將其應(yīng)用到傳統(tǒng)的固態(tài)超級(jí)電容器和平面的微型超級(jí)電容器中。
該復(fù)合膜具有兩方面的優(yōu)勢(shì)：其一，電化學(xué)剝離的高質(zhì)量的石墨烯層可以作為整個(gè)膜電極的機(jī)械支架，進(jìn)一步的增強(qiáng)膜電極整體的柔性、穩(wěn)定性和長(zhǎng)程導(dǎo)電性；其二，MXene納米片穿插在石墨烯片層之間，可以提供大量的層間距，有利于充放電過程中離子的快速嵌入和脫嵌。
得到的膜電極在組裝成傳統(tǒng)對(duì)稱柔性超級(jí)電容器后，在0.1 A cm-3的電流密度時(shí)，其體積電容高達(dá)216 F cm-3，同時(shí)在2500次充、放電循環(huán)后，比容量仍能保持85.2%。另外，通過掩膜版噴涂溶液相的MXene/電化學(xué)剝離石墨烯墨水制備的叉指狀微型超級(jí)電容器，在5 mV s-1的循環(huán)伏安掃描速度下，其面積電容和體積電容分別高達(dá)3.26 mF cm-2和33 F cm-3，這些性能指標(biāo)高于目前大部分同類文獻(xiàn)所報(bào)道的數(shù)值。
隨后，對(duì)此微超級(jí)電容器進(jìn)行彎折的柔性狀態(tài)下進(jìn)行循環(huán)測(cè)試，在2500次循環(huán)充放電之后，其電容性能依然可以保持82%。值得關(guān)注的是，在該工作中，我們利用自制的電化學(xué)剝離裝置制備出的電剝離石墨烯具有高產(chǎn)率，高碳氧比和高分散性等特點(diǎn)。
該工作通過電極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用簡(jiǎn)單的方法制備了高性能的超級(jí)電容器電極材料，這為制備低成本、高效率的柔性儲(chǔ)能器件開辟了一條新思路。
來源：MaterialsViews
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